CN1305236C - 一种优化双窗口光功率分配器输出通道能量均匀的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种优化双窗口光功率分配器输出通道能量均匀的方法，涉及平面波导型Y分支级连结构的光功率分配器。输出能量的均匀性是通过改变器件结构的方法实现的，包括在Y分支中引用不对称的结构，和/或在Y分支前加上不同长度的劈形过渡波导的方法，并进行了数值实验验证。证明本发明可以大大改善了光功率分配器输出通道能量的均匀性。

Description

一种优化双窗口光功率分配器输出通道能量均匀的方法
                       技术领域
本发明涉及一种优化双窗口光功率分配器输出通道能量均匀的方法，特别涉及平面波导型Y分支级连结构的光功率分配器输出通道能量均匀的方法。
                       背景技术
光功率分配器(Optical Power Splitter，以下简称Splitter)是光通信系统和光信息处理系统中的关键器件，也是构成其他光器件的重要组成部分。光功率分配器按照制作方法可分为：分立光学元件组合型、全光纤型及平面波导型等三种类型。其中平面波导型的光功率分配器采用平面光波导技术，具有成品一致性好、插入损耗均匀、适合批量生产等优点，代表光功率分配器的发展趋势。平面波导型的光功率分配器有很多种结构，如Y分支型、多模干涉型MMI以及星型结构等。其中Y分支型结构应用最广。
能量均分型的Y分支1×2NSplitter由多个Y分支单元级连而成，一般SiO2/Si的波导型Splitter的截面是具有矩形或者脊型截面的结构，波导结构的衬底材料是硅，包层材料是二氧化硅，芯层则是掺杂的二氧化硅材料，芯层折射率值大于包层的折射率值。以一个1分8 splitter为例，其基本结构如下：有一个引导入射光输入的输入端口和相应的输入直波导，一组具有2N(N＝1，2，3... ...)个输出端口和相应的输出直波导。入射直波导与其后的一个劈形过渡Taper区，以及两个分支的弯曲波导共同构成第一级的Y分支单元。其中劈形过渡区的两侧连接的是两个具有同样截面结构的单模波导，输出端的宽度等于或大于两倍波导的宽度。以后分别在这两个分支波导之后再级连两组尺寸相同的第二级Y分支单元，即一个直波导，一个劈形过渡区以及两个分支的弯曲波导构成的Y分支单元。以后在这四个分支波导之后，再连接四个第三级的Y分支单元。第三级的Y分支单元之后，连接8个输出光波导。
由于分支后的两输出波导都是同一阶模并且具有相同的传播常数，就基本可以实现输出功率均分的功能。一般情况下，每一级弯曲波导和劈形过渡区的设计都保持着对称结构来实现输出通道能量的大致均匀，然后再通过优化设计Y分支的角度来保证器件的插损特性。然而Splitter的性能尤其是通道能量均匀性相对于入射波长是比较敏感的，通常只设计在某个单一波长下工作相对比较容易，而双工作波长Splitter产品的通道能量均匀性往往比较差。目前的长距离光纤通信系统大多选用1.31μm或是1.55μm波长窗口的光源，就要求设计的Splitter在这两个中心入射波长下，性能都比较好。因此从发展的角度讲，要求设计双窗口的Splitter。
                       发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的对双工作波长光功率分配器产品的通道能量均匀性比较差的问题，而提供一种优化双窗口光功率分配器输出通道能量均匀的方法，特别涉及平面波导型Y分支级连结构的光功率分配器输出通道能量均匀的方法，通过引入不完全对称的波导结构和/或不同的劈形过渡区长度来实现通道输出能量的均匀。
首先从理论上分析1×2N splitter的通道能量不均匀的原因。
通道能量均匀性是splitter性能好坏的一个非常重要的指标。图2是一个简单的1分4 Splitter结构示意图，以它为例分析通道能量不均匀的成因：光通过第一级Y分支以后，由于弯曲波导的影响，沿着弯曲波导传播的光场中心会偏离波导中心。模场一旦偏离了中心，在以后的波导传播中就不再沿正中心的方向前进，而是沿折线前行。由于经过第一级以后的两个分支完全对称，其中的能量分布完全对称，所以这时候两个波导中的能量大小还能保持相等；而当模场到达第二级及以后的分支处时，情况就不同了。假设模场分布如图2中实线所示，则会造成通道1中的输出能量较大，通道2中的输出能量较小；若如图2中虚线表示，会造成通道2中的输出能量较大，通道1中能量较小(3，4通道中的情况可同理进行分析)。这两种情况都会导致splitter输出通道的能量不均匀。还有可能出现第三种情况，模场中心恰好位于第二级分支处的中心，这样分支以后就会比较均匀。从分析可见通过仔细调整劈形过渡Taper的长度可以实现通道能量均匀。
另外，场的中心位置发生偏离以后，它与其后的劈形过渡区相连时，由于劈形过渡区的逐渐增宽，就不再严格保证单模条件。劈形过渡区中除了基模TE0外，还激励出了高阶模，如一阶TE1，二阶模TE2等等。按照y-结分支波导的传播常数最接近准则，当模场继续向分支波导传输：TE2会分成两个一阶模，但因为分支以后的通道宽度只能传递基模，所以很快损耗掉了，这样二阶以上的模式对通道的均匀性影响不大；TE1会分成两个位相相反的TE0模，如图3中的虚线所示；TE0则分解成两个同位相的TE0模，如图3中的实线所示。那么在y-结分支后弯曲波导中两个位相相反的基模的叠加也会造成两个通道能量的不均匀。因为劈形过渡区的长度和结尾处宽度的限制，各阶模所占比率不同，但其中绝大多数还是基模。按照两个导模相互耦合的关系可知，耦合只能发生在奇模与奇模，或是偶模与偶模之间。那么通过调整劈形过渡区的长度，可以使一阶模向高阶模转化，从而减少不对称性。
本发明的技术方案是这样实现的：一种优化双窗口平面波导型光功率
分配器输出通道能量均匀的方法，平面波导型光功率分配器由一系列的Y分支单元首尾级联而成，每个Y分支单元由一个劈形过渡区及两个弯曲分支波导共同构成，所述平面波导型光功率分配器的输入端口为一个直波导，输出端口为2N个直波导，其特征在于：在所述平面波导型光功率分配器中的任意级Y分支处通过角度调整和弯曲波导长度的变化引入不对称弯曲波导结构和/或在同一级的Y分支处选用不同劈形区长度，其中N为自然数。
本发明在任意级的Y分支处采用不同的劈形过渡区长度，其后的弯曲波导形状长短完全相同，来实现光功率分配器的通道能量均匀。
                       附图说明
图1为常规的能量均分型1分8 Y分支光功率分配器示意图。
图2为1分4 Y分支光功率分配器示意图。
图3为分支波导中的模式转换示意图。
图4为通道均匀性与劈形过渡区长度的关系图。
图5为第二级Y分支的不对称结构示意图。
图6为第三级Y分支处不同劈形过渡区的结构示意图。
                     具体实施方式
从以上的分析可以看出，尽管通常的splitter采用完全对称的结构，但却不能保证输出通道能量的均匀性。对于某单一波长入射下，可以通过调整劈形过渡区的长度来实现通道能量的均匀性。但同时满足两个波长就比较困难了。以下是同时满足两个波长入射下通道能量均匀的实施方式。
1)先粗略的满足两个波长的通道均匀。从图4的数值实验看出：通道能量的均匀性随劈形过渡区长度按周期性关系变化。因两个波长入射时对应的周期值不同，总可以选一个劈形过渡区长度，使得两个波长的通道均匀性都比较好。对1分8 Splitter而言，大致可以把两种波长对应的通道均匀度都控制在0.4dB以下。这里不能无限制的加长劈形过渡区，否则会造成芯片尺寸过大。
2)以1分8的Splitter为例，可以采用以下方法来进一步优化两个波长下的通道输出能量均匀性：波导的截面结构采用宽为6μm，厚为6μm的矩型结构，包层与衬底的折射率差为0.4％。
第一步：优化第二级分支处的通道能量均匀，在第二级的Y分支处引入不对称的弯曲波导。由于结构的对称性，波导通道1、4中的能量相等，2与3中的能量相同，选一个劈形过渡区长度使两个波长的1、4通道能量均偏大，2、3通道能量均偏小。这时，保持2、3弯曲波导不变，把1、4弯曲波导的长度变短，在1×4的对称结构中，第二级的Y分支波导处，每一个分支与水平线的夹角均为2.49；在优化结构中，一个分支角为2.49，另一个则变为2.56，如图5所示。由于分支处的角度略有不同，则进入通道的能量比例也稍有改变，就会导致能量在1，4通道中的损耗偏大，这样就可以很好的实现两个波长的通道均匀度都非常小。
第二步：它是建立在1×4基础之上，在其后级连第三级的Y分支结构。其中的对称结构是在第三级分支处连接长度均为2000μm，优化结构则是令劈形过渡区1＝劈形过渡区4＝1980μm，劈形过渡区2＝劈形过渡区3＝2010μm，而其后的弯曲波导结构保持对称。经过第一步的优化，在1分4时，因为不能保证同时把两个波长下通道均匀度都调整到最小，而且模场的位相也不一致。那么在连接第三级的劈形过渡区时，如果在1、4通道和2、3通道之后连接相同长度的劈形过渡区，就更加不能同时满足其后的通道输出均匀了。在这里可以令劈形过渡区(1，4)劈形过渡区(2，3)的长度，分别调整以后的通道能量均匀性，如图6所示，其后的弯曲波导形状长短完全相同。这样就可以只通过调整各自劈形过渡区的长度，很方便的实现1分8splitter的通道均匀。
数值实验结果与讨论
先采用有效折射率法EIM，把实际中的三维波导等效成二维平板波导，然后利用加拿大Optiwave公司的软件BPM_CAD4.0进行数值模拟。因为Y分支有一定的角度，模拟时采用二阶Padé近似的光束传输BPM算法，边界条件选用透明边界条件TBC，以高斯场作为输入场来模拟光纤与波导的连接情况，X轴方向的步长是0.1微米，Z方向的步长是0.5微米。
表1中的设计值是一组采用本实施例优化以及采用传统方法得到的通道能量均匀性数值计算比较结果。其中的1×4表示第二级分支处的结果，1×8则表示splitter最后的输出结果，从结果看出，采用非对称结构时，两个波长下对应的通道能量均匀性都改善了许多。
Splitter 通道能量均匀度(dB)
优化结构   对称结构
1×41×8 1.31微米0.020.09   1.55微米0.010.07   1.31微米0.100.25   1.55微米0.160.41
表1利用本发明优化1分8splitter的通道能量均匀度

Claims (2)

1、一种优化双窗口平面波导型光功率分配器输出通道能量均匀的方法，平面波导型光功率分配器由一系列的Y分支单元首尾级联而成，每个Y分支单元由一个劈形过渡区及两个弯曲分支波导共同构成，所述平面波导型光功率分配器的输入端口为一个直波导，输出端口为2N个直波导，其特征在于：在所述平面波导型光功率分配器中的任意级Y分支处通过角度调整和弯曲波导长度的变化引入不对称弯曲波导结构和/或在同一级的Y分支处选用不同劈形区长度，其中N为自然数。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于在任意级的Y分支处采用不同的劈形过渡区长度，其后的弯曲波导形状长短完全相同。
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